崔廣強(qiáng),常方強(qiáng)
(1.福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院,福建 福州 350108;2. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 福建 廈門 361021)
爆炸擠淤法置換深厚淤泥具有施工速度快、人耗和物料消耗低、施工后沉降小、投資少的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在我國(guó)東部沿海地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。在其得到廣泛應(yīng)用的同時(shí),特別是圍堤的穩(wěn)定性分析也顯得日益重要,目前,深厚淤泥爆炸擠淤圍堤穩(wěn)定性分析尚無(wú)成熟的分析方法,其復(fù)雜性增加了力學(xué)分析上的困難。文獻(xiàn)[5-10]對(duì)爆破擠淤圍堤的穩(wěn)定性分析進(jìn)行了不同形式的探討和分析,得到不同的結(jié)論與適用范圍。目前,工程中堤防穩(wěn)定性計(jì)算方法仍遵循傳統(tǒng)的弧形滑動(dòng)法[11-15]。然而,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有很大不同,表明常用的穩(wěn)定性分析方法無(wú)法有效地評(píng)估其穩(wěn)定性。因此,正確分析深厚爆破擠淤圍堤的穩(wěn)定性是實(shí)際應(yīng)用中亟待解決的問題。為了分析爆破擠淤圍堤的變形和整體抗滑穩(wěn)定性,采用有限元軟件方法分析爆破擠淤圍堤典型斷面的穩(wěn)定性。并分析不同擠淤效果、護(hù)底塊石和極端海況對(duì)穩(wěn)定性的影響。
福建華電儲(chǔ)運(yùn)有限公司10JHJ、11JHJ泊位一期后方陸域工程位于福建連江縣坑園鎮(zhèn)顏歧村,駁岸總長(zhǎng)約為433.2 m,其堤身下部結(jié)構(gòu)為爆炸擠淤筑堤。前沿駁岸設(shè)計(jì)寬度20 m,頂標(biāo)高+7.0 m,底標(biāo)-35.2~-34.4 m 。由于棄方區(qū)邊界不規(guī)則變化,施工時(shí)結(jié)合地形變化適當(dāng)調(diào)整斷面形狀,確保爆炸擠淤底寬度大于30 m。
設(shè)計(jì)高水位:2.73 m,設(shè)計(jì)低水位:-3.34 m,
極端高水位:4.64 m,極端低水位:-4.37 m。
經(jīng)勘探和分析,擬建場(chǎng)地位于羅源灣東側(cè)可門港區(qū),屬濱海及淺海地貌單元,灘涂原始地面標(biāo)高為-2.73~4.86 m,現(xiàn)原始地貌由于受可門火電廠炸山填海和堆填擠淤作用,已經(jīng)改變了原樣,場(chǎng)地70%~80%的面積已成為填石陸域區(qū),地面高程-2.12~12.85 m。
場(chǎng)地地址情況分為棄方覆蓋區(qū)及非棄方取土區(qū),棄方區(qū)主要為石方,混有土和淤泥,棄方區(qū)厚度變化不規(guī)則,棄方區(qū)下部為淤泥層,大部分厚度5~15 m,淤泥下為含泥角礫碎石、粘土等。非棄方區(qū),頂標(biāo)高+4.0~+8.0 m,面層為淤泥,淤泥厚度29~40 m(包括擠淤隆高的5~9 m)。爆破前后堤身斷面如圖1所示。
圖1 爆破前后堤身斷面
Plaxis程序moore-coulomb模型總共需要6個(gè)參數(shù):土體不飽和重度、飽和重度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。圍堤及周圍土體參數(shù)取值匯總于表1。
表1 圍堤穩(wěn)定性數(shù)值模擬所用參數(shù)取值
圖2 圍堤及其周圍土體模型
圖3 圍堤及其周圍土體網(wǎng)格劃分
采用Plaxis有限元軟件建立圍堤應(yīng)力應(yīng)變分析模型,建模過程如下:1)根據(jù)圍堤的幾何形狀和周圍土層情況,建立模型邊界,如圖2所示。2)定義材料屬性、圍堤填石和周圍土層工程性質(zhì),根據(jù)表1中分別定義。3)劃分網(wǎng)格,采用精細(xì)網(wǎng)格,如圖3所示。4)設(shè)置地下水位高度,首先極端低水位設(shè)置在圍堤外側(cè)泥面處(在后面分布計(jì)算時(shí),極端高水位設(shè)置在圍堤內(nèi)側(cè)地表處)。5)生成初始應(yīng)力。生成初始應(yīng)力時(shí),淤泥在自重下固結(jié),圍堤以及內(nèi)側(cè)的填土尚未填筑。6)設(shè)置計(jì)算步驟。計(jì)算時(shí)分三步:第一步為淤泥在自重下固結(jié);第二步施加圍堤以及內(nèi)側(cè)填土,激活圍堤及內(nèi)側(cè)填土;第三步,設(shè)置極端高水位。7)求解以及結(jié)果分析。
西圍堤和北圍堤的整體抗滑安全系數(shù)采用Plaxis的phi-c縮減因子法計(jì)算得出,結(jié)果如表2和表3所示??梢钥闯觯總€(gè)部分的整體滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)大多大于1.0并且處于穩(wěn)定狀態(tài)。
表2 西堤的整體滑動(dòng)穩(wěn)定性的安全系數(shù)
為了研究深厚淤泥爆破擠淤堤在不同位移效應(yīng)下的穩(wěn)定性,計(jì)算了圍堤不同擠淤效應(yīng)(不同位移形式和置換率)的穩(wěn)定性。
4.1.1 深厚淤泥完全被填石所置換
以北堤為例,堤壩及其周圍土層的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。可以看出,圍堤內(nèi)側(cè)填土有向斜下的位移,最大可達(dá)0.56 m;出現(xiàn)應(yīng)力集中發(fā)生在圍堤底部,這是應(yīng)力最大的地方。
表3 北堤的整體滑動(dòng)穩(wěn)定性的安全系數(shù)
圖4 圍堤底部淤泥全部被置換時(shí)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果
當(dāng)圍堤底部全部被填石取代時(shí),圍堤的整體滑動(dòng)安全系數(shù)為3.8,并且不會(huì)發(fā)生圍堤的整體滑動(dòng)破壞。
4.1.2 深厚淤泥部分被置換
分析圍堤在20、40、60和80置換率時(shí)的穩(wěn)定性,其中,置換率為20時(shí)的位移云圖如圖5所示(泥石混合層厚度為2 m),圍堤的最大位移為0.56 m,不同置換率對(duì)圍堤的最大位移影響不大,原因是最大位移發(fā)生在堤內(nèi)填土部分,圍堤下部的未完全置換體距離該最大位移距離較大。當(dāng)只有20%的置換率時(shí),圍堤的總滑動(dòng)安全系數(shù)均為2.7,表明在上述幾個(gè)置換率下圍堤不會(huì)發(fā)生整體滑動(dòng)破壞。對(duì)于其他情況,當(dāng)混合層的厚度和置換率不同時(shí),圍堤的整體滑動(dòng)安全系數(shù)見表4??梢钥闯?,當(dāng)泥石置換率達(dá)到10%且泥石混合層厚度為4 m時(shí),將發(fā)生整體滑動(dòng)破壞??梢钥闯觯?dāng)置換率為0且為純淤泥層、厚度達(dá)到2 m時(shí),就處于整體滑動(dòng)的邊緣。
表4 不同泥石置換層厚度和置換率時(shí)圍堤抗整體滑動(dòng)安全系數(shù)
當(dāng)出現(xiàn)極端高水位時(shí),極端高水位往往由風(fēng)暴潮或臺(tái)風(fēng)引起,短短幾十分鐘或幾個(gè)小時(shí),水位就由正常水位上升到極端高水位。此段時(shí)間內(nèi),海水在圍堤內(nèi)的滲濾路徑相對(duì)較短,圍堤內(nèi)側(cè)尚未有水壓力相平衡,故圍堤外側(cè)有一定深度的靜水壓力。外側(cè)的靜水壓力與內(nèi)側(cè)的土壓力能夠平衡一部分,前者約是后者的一半。此時(shí),圍堤內(nèi)側(cè)填土的位移相對(duì)極端低水位時(shí)要小,最大位移僅為0.44 m,并且發(fā)生在圍堤內(nèi)側(cè)的邊緣處,而極端低水位時(shí)發(fā)生在圍堤內(nèi)側(cè)的填土處;圍堤外側(cè)淤泥隆起的幅度有所減?。粐痰撞恳彩菓?yīng)力集中區(qū),最大剪應(yīng)力仍然出現(xiàn)在堤腳附近,即70 kPa,如圖6所示。
圖6 在極端高水位下圍堤穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果
由于未置換的淤泥層地基承載力不能滿足要求,隨固結(jié)時(shí)間的持續(xù),圍堤逐漸沉降,可能形成兩種結(jié)果:首先,將圍堤完全擠入淤泥層中,到達(dá)粉質(zhì)粘土層的頂面;其次,在圍堤荷載作用下,淤泥逐漸壓縮固結(jié),強(qiáng)度提高,可滿足地基承載力的要求。兩種結(jié)果均可導(dǎo)致圍堤抗整體滑動(dòng)穩(wěn)定性提高,即圍堤的整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性具有時(shí)間效應(yīng),隨著時(shí)間穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。
當(dāng)水位極低時(shí),低于正常水位,拋石的有效應(yīng)力增大,增加圍堤的局部滑動(dòng)、整體滑動(dòng)、傾覆破壞的可能性。在極高的水位下,水位高于正常水位,并且拋石的有效應(yīng)力減小,故極端高水位對(duì)圍堤穩(wěn)定性有利。
1)由于圍堤內(nèi)側(cè)填土和圍堤的水平力作用,圍堤外側(cè)淤泥有向上隆起的位移,達(dá)到0.1~0.2 m,圍堤底部出現(xiàn)應(yīng)力集中,這是應(yīng)力最大的地方。
2)當(dāng)淤泥完全被拋石置換時(shí),圍堤整體滑動(dòng)安全系數(shù)為3.8,不會(huì)發(fā)生圍堤的整體滑動(dòng)破壞;當(dāng)純淤泥層厚度超過3.5 m時(shí),圍堤的整體滑動(dòng)安全系數(shù)小于1.0,可能發(fā)生滑動(dòng)。
3)圍堤設(shè)置護(hù)底塊石層后,圍堤整體滑動(dòng)穩(wěn)定性有助于提高,設(shè)置長(zhǎng)15 m、厚2 m的護(hù)底塊石層后,不同擠淤效果下整體抗滑動(dòng)安全系數(shù)提高0.03~0.05。
4)達(dá)到極高水位時(shí),圍堤的抗滑穩(wěn)定性無(wú)影響;當(dāng)極端低水位時(shí),圍堤抗滑穩(wěn)定性不利。
5)如果圍堤填土和堤內(nèi)填土同時(shí)進(jìn)行,圍堤有發(fā)生整體滑動(dòng)破壞的可能性;但隨著時(shí)間的推移,圍堤底部未置換的淤泥層強(qiáng)度逐漸增加,當(dāng)增加到一定程度時(shí),圍堤內(nèi)側(cè)填土然后施工,可減小圍堤整體滑動(dòng)破壞的可能性。